התנהגות של חומרים מעוכבים ותפקודיים

חומרים מעוקלים ופונקציונליים (FGMs) מייצגים מעמד של חומרים הנדסיים מתקדמים שנועדו להשיג ביצועים מעולים באמצעות וריאציה מרחבית מבוקרת של הרכב ומיקרו-מבנה.בניגוד לחומרים הומוגניים, מערכות הטרוגניות הללו מציגות ממשקים, קידודי רכוש, ושדות מתח מורכבים שמשנים ביסודם סדקים והפצתם היא קריטית עבור תעשיות כגון חלל ביו-רפואי, חסמי, חסמי מרפא, מכשולים תרמיים, ומינרליים תחת תנאים מיקרו-אלקטרוניקה קיצוניים, תחת תנאים מיקרוסקופיים, תחת לחץ.

מאמר זה מספק סקירה סמכותית של עקרונות מכניקת השברים כפי החל על חומרים מעוקלים ופונקציונליים.We לבחון את התפקיד של ממשקים, ⁇ רכוש, תנאי טעינה, ותכונות מיקרו-מבנה בקביעת נתיבי סדק ונוקשות כללית.

יסודות של חומרים מכניים צמחיים בחומרים שכבתיים

(המכונה) מנתחת את יציבות הסדקים תחת לחץ באמצעות פרמטרים כגון הגורם אינטנסיבי הלחץ (Figtures:0)KirFLT:1) ואת קצב שחרור האנרגיה (ראה:2GFLT 3: 3) עבור חומרים הומוגניים, סדקים propagates כאשר עוביים של FLT:4K:5 עולה על השבר הקריטי (Freaciopheral) ו- 7Flyphi)

מנגנונים בין-גזעיים

(ב) סדקים בחומרים שכבתיים עשויים להפיץ בתוך שכבה, לאורך ממשק, או לטבול לתוך שכבות שכנות.הממשק הוא לעתים קרובות החוליה החלשה ביותר, עם התנגדות שבר מאופיינת על ידי הממשק קשיחות:0GFLT:1uaFLT:2cFLT 3:2 (החלבבב) - היחס של עשב ללחץ רגיל בסדקים - השפעות חד-מין של β-חמצני, או סימטריות, אם הוא נוטה להתנגשות, בין ה- β- β- β-זמנית, לבין β- β- β- β- β- β- β- β- β- β- , כלומר, כלומר, β- β- β- ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .

מחקרים ניסיוניים באמצעות קרן כפולה (DCB) וארבעה נקודות במבחנים על מדפים מחוסנים (למשל, epoxy/glass, קרמיקה / מ"ל) מראים כי ניתן להגדיל את האנרגיה השבורה בין-גזעית על ידי הצגת מקדםי דלקת או בין-שכבות חזקות.

פסקול: ccrele Deting and Bridging

חומרים שכבתיים יכולים להיות נועדו לנצל סדקים השתקפות כמנגנון קשיח.כאשר סדק פוגש ממשק חלש, זה עשוי לפענוח לאורך ממשק זה, צריכת אנרגיה נוספת ועצירה כשלון קטסטרופלי.עקרון זה תחת עיצוב של nacre (אם-of-pearl), שבו שכבת טבליות עבודה שבורה על ידי שכבות אורגניות דקות דקות, ובכך להשיג שברים קשים עד 3,000 פעמים גדולות יותר של ציפויים של גולגולתי (Fite) או גרף 1Dite (ה)

התכתול מתרחש כאשר סיבים שלמים או שכבות דוקטרליות לאורך ההתעוררות, משדר עומס וצמצום הלחץ סדקים טייפ-טיפ. בתרכובות מתכת-סירמיות, שכבת מתכת דוקטרלית (למשל, ניקל או אלומיניום) יכול לגשר על סדקים, מתן התנהגות R-curve - תוך הקלה בהתנגדות עם הרחבה.

התנהגות של חומרים מתקדמים פונקציונליים

(ב) חומרים ממושמעים (FGMs) מאופיין על ידי וריאציות רצופים בהרכב ונכסים לאורך אחד או יותר ממדים.בניגוד ממשקים חדים בחומרים מעוכבים, FGM מבטלת הפסקות רכוש פתאומיות, צמצום ריכוזי מתח והפחתה של דחיסה (Digmigating delamination) , סגסוגת Alphic) LT2Fal (R2Fulfic) כולל: 3.

התפלגות מתח ו-Creek טיפ

הריאציות ההדרגתיות של שיטות גמישות והתרחבות תרמית ב FGMs יוצרות התפלגות מתח חלקה תחת עומס מכני ותרמי.פתרון של בעיית הסדקים ב- FGMs דורש הכללה של מכניקת שבר קלאסית כדי להסביר עבור ⁇ רכוש.עבודה תיאורטית מוקדמת על ידי ארדואן ועמיתים משותפים פיתחו שיטות משוואה אינטגרליות כדי למקם את גורמי אינטנסיביות יחיד עבור סדקים בחומרים לא הומוגניים.

כאשר הדרגות של Modulus מוכוונת רגיל למטוס הפצח, ניתן להפחית את הגורם האינטנסיביות הלחץ עד 30-50% בהשוואה לחומר הומוגני עם אותה נוקשות ממוצעת.הפחתה זו נובעת כי החומר הרכות יותר לפני חוויות קצה השבר מדגיש נמוך יותר, ביעילות בוטה את הסדקים. קונור באופן הפוך, אם הסדקים גדלים מקשה לאזורים, את עוצמת הלחץ עלול להגביר את התצורה, כלומר, פחות צפוי להיות מתוכנן עם התצורה של השירות.

סיקור ותעמולה ב-FGMs

(התחילה ב-FGMs מתרחשת לעיתים קרובות ב- עיבוד פגמים, ב pores או הכללות באזור ה-Standd.The Localשבר קשיחות משתנה עם הרכב המקומי, לאחר שלטון של תערובות או מודלים מורכבים יותר.לדוגמה, באלברלי:02cioFLT:1OFLT:2FLT 3/Al FGMs, הצד הקרמיקה יש כוח גבוה יותר וחלש יותר, אך הוא יכול להיות פחות חזק יותר.

תצפיות ניסיוניות באמצעות מיקרוסקופיה של החלפת מיקרו-סדרה מראות כי הפחתת התפוצה ב- FGMs היא לעתים רחוקות ישר.הדרך הפצח לכיוון אזורים של קשיחות נמוכה יותר, לעתים קרובות מתמזגת לאורך אזורי קידודים של הרכב.התחילה זו מגבירה את פני השטח השבורים ופירוק אנרגיה, תורמת לשיפור קשיחות ניכרת.

גורמים המשפיעים על התנהגות Fracture

  • (FLT:0) כוח ודבקות ב- 1 (FLT:0) בחומרים מעוכבים, הנוקשות הבין-גזעית שולטת אם סדקים חודרים או מטומטמים.עבור FGMs, הריגול המתמשך מבטל ממשקים דיסקרטיים, אך רכוש מקומי אינו תואם בגבולות מיקרו-מבנה עדיין משנה.
  • (FLT:0) נכסים אוויריים ⁇ sFLT:1) - שיעור השינוי של מודולוס גמיש, התרחבות תרמית, קשיחות משפיע מאוד על גורמי אינטנסיביות ונתיבי סדק.
  • (FLT:0) תנאי ולחצים קובע: 1) – התנהגות Fracture שונה תחת עומס סטטי, מחזורי, וטעינה תרמית. FGMs יעילים במיוחד תחת הלם תרמי כי דירוגים בהתרחבות תרמית להפחית את הלחץ התרמית.
  • (FLT:0) הסתברות של פגמים או פגמים של LT:1) - פגמים בייצור כגון porosity, סדקים, והכללות לפעול כמו העלאת מתח.אפקט של פגם תלוי בגודלו ביחס לגודלו של ⁇ אורכו קשקשים קטנים עלולים להיות בלתי מזיקים אם ממוקמים באזורים קשים, בעוד פגמים גדולים יכולים לגרום לכשל קטסטרופלי אם הם מתגוררים באזורי חץ.

מודלים וסימפוציה של Fracture בשכבות ו- FGMs

חיזוי מדויק של התנהגות שבר דורש מודלים חישוביים מתוחכמת כי ללכוד heterogeneity חומר, לא לינאריות, ומנגנוני כשלון.השיטה הסופית (FEM) נשאר סוס העבודה, לעתים קרובות בשילוב עם מודלים אזוריים cohesive (CZM) כדי לדמות סדקים והפצתם לאורך ממשקים או באמצעות חומר רב. עבור FGMs, ⁇ נכסים משולבים על ידי הקצאת תכונות כיתה-בסיס סטנדרטי של שיטות קירור (FEM) המאפשרות יעילה.

מודלים של נזק מתמשך (CDM) משמשים לחיזוי ההשפלה הפרוגרסיבית ב FGMs תחת עומס מונוטוני או מחזורי.מודלים אלה מגדירים משתנה הנזק מתפתח עם זן, צמצום הנוקשות ומובילים להיווצרות כאשר הנזק מגיע לסף קריטי של התפתחויות האחרונות בFLT:0phase-field מודלים שברים שדה השבירה 1 הוכחויים במיוחד עבור FGM, שכן הם יכולים לדמות דפוסים מורכבים ללא מגבלות רכוש מוגדרות וחוקים.

מודלים רב בקנה מידה גישות קישור סימולציות בקנה מידה אטומי (דינמיקה מולקולרית) מודלים מתמשכים ללכוד התנהגות ממשק ושבר טיפ פלסטיק במערכות שכבתיות.לדוגמה, פוטנציאלים בין-אטומיים יכולים לחזות את האנרגיה של ממשק debonding במערכות קרמיקה / מטבוליות, מתן קלט עבור פרמטרים אזורי בקנה מידה גדול יותר. A סקירה מקיפה של גישות חישוביות עבור FsGM ניתן למצוא בעבודה של עמיתים לעבודה של פולנו, עמיתים משותפים, אשר הם ציטטו נרחב.

דוגמה לקישור חיצוני:0 (Cohesive Zone Model)

טכניקות ניסיוניות לחיקוי

אופי ניסיוני של שבר בשכבות ו- FGMs מציג אתגרים ייחודיים בשל הצורך במדידות נפתרות מרחבית ושליטה במצבי טעינה.

  • (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) שלוש נקודות או ארבע נקודות bendingveFLT:1) - בשילוב עם כאבים או לפני צ'אקרים כדי למדוד קשיחות שבר גדולה של שכבות בודדות או FGM דק. עבור FGMs, ⁇ רכוש דורשים מיקום סדק ידוע יחסית ל ⁇ .
  • (FLT:0) זיהוי ובדיקת שריטות (FLT:1) - עבור דגימות בקנה מידה קטן או ציפויים, משיכת ויקיר יכולה לגרום לסדקים קורנל אשר אורךיהם מספקים הערכות של קשיחות שבר.
  • (FLT:0) microscopyFLT:1 ; טעינה מכנית משותפת עם סריקה מיקרוסקופית אלקטרונים (SEM) או X-ray microtomography מאפשר התבוננות ישירה של סדקים והפצת תמונה דיגיטלית (DIC) מספק מפות מתוחות שדה מלאה, חיוני כדי לאמת מודלים של שבץ וגליון.

טכניקות מתקדמות כגון:0)J-integral מדידות FLT ( 1:1) באמצעות שיטות מרובות-specimen מותאמים עבור FGMs על ידי חשבונאות עבור השונות המרחבית של תכונות החומריות.ה-J-integral נשאר תלוי רק אם הוא מוערך בתנאים מסוימים; עיצוב ניסיוני זהיר נדרש כדי למנוע שגיאות.

יישומים ומחקרי מקרים

חללים ומחסום אווירי

במנועי טורבינות גז, ציפויי מחסום תרמי (TBCs) מורכבים משכבה עליונה קרמיקה (למשל, zircbilized zirconia, YSZ) ומעיל אג"ח מתכתי על תת-על-ידי Superalloy substrate.ההתאמה הגדולה בהתרחבות תרמית בין קרמיקה למתכת מייצרת מתח גבוה במהלך רכיבה תרמית, המוביל לספאם תרמילי, שבו השכבה חלקית של מחזור חיים של T3F (F) מדגימה עד למחזור הדם (F) מופחתת יותר למחזור הדם (F) מ-F) ממתכת (F) מ-F) מופחתת ל- 3.

דוגמה לקישור חיצוני: 0 (בלטינית:0) ציפויי מחסום תרמיים מדורגים - Ceramic IndustrycioFLT:1

השתלות ביו-רפואי

FGMs משמשים שתלים שיניים ואסתטיקה אורתופדית לחקות את השכבות הטבעיות של העצם: קרמיקה נוקשה על פני השטח האמנותי ומקביל, מתכת מתכת בממשק העצם.ההתנהגות השבירה של שתלים אלה תחת עומס מחזורי חייב להיות מובן כדי למנוע כשלון.מחקרים על טיטניום / מיליטריט FGM מראה כי כיתה מופחתת את הממשקים של גזעים, לעומת שברים, יכול להיות מותאם אישית, כדי להתאים את השבר.

מבנים חזקים והגנתיים

מערכות שריון קרמיקה / מטריות, כגון בורון carbide /aluminum, להסתמך על סדקים דמנציה ומוגבלות לספוג אנרגיה הקרנה. FGMs נחקרו כ interlayers כדי להפחית את חוסר ההתאמה ולשפר את יכולת רב-היתית.בדיקות בליסטיות ניסיוניות לחשוף כי FGMs יכול להגדיל את המהירות הבליסטית עד 20% בהשוואה לתבניות שכבתיות עם צפיפות עובי ושניהם.

כיוונים עתידיים ואתגרים

למרות התקדמות משמעותית, כמה אתגרים נשארים בהבנה והנדסה את התנהגות השבירה של שכבתי ו- FGMs. First, FGMs.FLT:0fabri ReproducationmentFLT:1 נשאר נושא, במיוחד עבור FGM בקנה מידה גדול עם פרמטרים מורכבים של סימולציות Defect Control ותהליכי ייצור יעילים כמו ייצור תוספים מפותחים באופן פעיל.

שלישית, (FLT:0) אפקטים של ההרחבה: 1) כגון לחות, טמפרטורה וקרינה יכול לדרג את קשיחות ממשק ולהאיץ את המחקר לטווח ארוך בתנאי שירות ריאליים חסרים עבור מערכות FGM רבות.רביעי, סטנדרטיזציה של שיטות בדיקת שבר בחומרים מתקדמים נדרשת כדי לאפשר השוואות אמינות בין עיצובים.

לבסוף, שילוב של יכולות ההשבחה העצמית של ההרחבה:0) לתוך שכבות ו- FGM הוא מושג מתפתח.מיקרו-קמפוצלים או רשתות vascular המכילות סוכני ריפוי ניתן להטמיע באזורים מקודמים כדי לשחזר קשיחות שבורה לאחר נזק.

דוגמה לקישור חיצוני:0 (ב) ,0) , 000 , 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מסקנה

התנהגות של חומרים מעוותים ופונקציונליים ממופקד על ידי ממשק מורכב של מכניקת ממשק, ⁇ רכוש, ותנאי טעינה. חומרים שכבתיים ליהנות מסדקים דה השתקפות וניתוק בממשקים, בעוד FGMs ממנף מעברים רכוש חלק כדי להפחית את ריכוזים ולשלוט נתיבי סדק.התקדמות במודל חישובי, אפיון ניסיוני, וייצור מאפשר עיצוב של חומרים עמידים חסרי תקדים במנגנונים בסיסיים כמו גם במנגנונים הנדסיים אלה.

דוגמה לקישור חיצוני:0 חומרים מדרגים ( ScienceDirecteurFLT:1)